Generación de ondas acústicas superficiales focalizadas utilizando nanoantenas plasmónicas

H. D. BOGGIANO; L. NAN; B. TILMANN; S. A. MAIER; G. GRINBLAT; E. CORTÉS; A. V. BRAGAS

Encuentro; 21 Encuentro de Superficies y Materiales Nanoestructurados; 2022

Las nanoantenas plasmónicas han sido ampliamente utilizadas en nanofotónica por su capacidad de acoplar eficientemente a radiación óptica propagante, permitiendo controlar la distribución e intensidad de campos electromagnéticos en escalas por debajo de la longitud de onda de la luz visible. Luego de excitarlas con láseres de pulsos ultracortos, los electrones calientes de la nanoestructura decaen excitando fonones acústicos coherentes, que son vibraciones mecánicas de muy alta frecuencia, en el rango de los GHz. Estas perturbaciones localizadas, que se propagan a través del sustrato como ondas acústicas superficiales (SAWs), pueden ser detectadas por otra nanoantena que actúa como un detector mecánico muy sensible debido a la fuerte modulación de su respuesta óptica [1,2]. Las propiedades optomecánicas de estas nanoestructuras dependen de su forma, tamaño y composición, entre otras condiciones de contorno. Las sofisticadas técnicas de fabricación actuales, en conjunto con la implementación de simulaciones numéricas por el método de elementos finitos, han hecho posible utilizar estas antenas como eficientes transductores optoacústicos sintonizables para la generación y detección de hipersonido en la nanoescala [3], con potenciales aplicaciones en comunicación y sensado de superficies.En la Figura 1(a) se muestran los mapas de deformación mecánica asociados a los tres modos principales de vibración de un nanodisco de oro de 100 nm de diámetro y 30 nm de altura sobre un sustrato de vidrio. Con el objetivo de controlar la direccionalidad y enfocar las ondas acústicas de hipersonido, en este trabajo se exploró numéricamente la posibilidad de utilizar un arreglo de estas estructuras distribuidas sobre un arco circular de 1.5 μm de radio, como se muestra en la imagen SEM de la Figura 1(b). Los discos se encuentran separados por una distancia de arco de 50 nm para evitar el acoplamiento mecánico, por lo que cada elemento del arreglo actúa como una fuente isótropa de ondas acústicas superficiales en el campo lejano. La oscilación colectiva de todas las estructuras genera un patrón de interferencia que se intensifica en una región muy pequeña de la superficie, como se observa en el patrón de amplitud de deformación del sustrato en la Figura 1(c).REFERENCIAS1. Martin Poblet et al., ACS Photonics 8 (2021), 2846-2852.2. Yuta Imade et al., Nano Letters 21 (2021), 6261-6267.3. Rodrigo Berte et al., Phys. Rev. Lett. 121 (2018), 253902.